PPTA/MSA溶液性质及其成纤性能研究

摘要

聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维是目前最受人们青睐和应用领域最广泛的高科技纤维之一，特殊的结构赋予了其耐高温、防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性能。PPTA纤维的主要产品有长短纤维和浆粕，在目前的工业化生产中，纤维和浆粕的制备都离不开浓硫酸。但是浓硫酸与 PPTA树脂混合时易造成树脂结团、降解，从而影响溶液的稳定性和均一性。并且用浓硫酸作为溶剂和凝固浴使用时，对设备及人体的危害较大。甲磺酸（MSA）是一种危害性远小于浓硫酸的溶剂，同样可以使PPTA树脂溶解。本文首次用MSA对PPTA树脂进行溶解，初步探究了PPTA/MSA溶液的性质及其成纤性能。
　　本文首先探究了PPTA与MSA的混合工艺及PPTA在MSA中的最大溶解度。通过偏光显微镜（POM）观察了PPTA树脂在MSA中的溶解规律，并与浓硫酸进行对比。通过比浓对数粘度随时间的变化研究了溶液浓度、树脂分子量、温度、溶解气氛对PPTA在MSA中稳定性的影响。通过差示扫描量热仪（DSC）、旋转粘度仪和自制相对粘度测试仪研究了温度和溶液浓度对 PPTA/MSA溶液表观粘度的影响。用红外吸收光谱仪（FTIR）和热失重分析仪（TG）分别研究了酸溶解对PPTA树脂结构和热性能造成的影响。结果表明：将MSA温度降至10℃，在迅速搅拌的条件下加入PPTA树脂，两者混合均匀，不产生结团现象；PPTA树脂在MSA中的最大溶解度达10％左右；PPTA树脂在MSA中溶解时先溶胀后溶解，并且在偏光显微镜（POM）下可观察到彩色条纹图案；PPTA溶解于 MSA后形成亮黄色透明溶液，溶液不具备液晶特性；溶液浓度较低时，PPTA在 MSA中的稳定性好于在浓硫酸中的稳定性；分子量大的树脂在MSA中的降解程度低、降解慢；温度大于80℃时，PPTA/MSA溶液的热稳定性急剧下降，氮气的保护可以提高树脂的热稳定性；经过 MSA溶解后的PPTA树脂发生一定程度的降解，但其结构和热性能无明显变化。
　　其次，用浓度为1~3%的PPTA/MSA溶液通过沉析法制备PPTA浆粕。通过偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、自动比表面积分析仪比较了溶液浓度、凝固浴温度、处理方式对PPTA浆粕纤维表面形貌、尺寸和比表面积（SSA）的影响。用热失重分析仪（TG）分析了浆粕的热性能。结果表明：低浓度的溶液有利于制备长径比较高、比表面积较大的PPTA浆粕；相同浓度下，PPTA/MSA溶液制备的浆粕比PPTA/浓硫酸溶液制备浆粕的平均长度稍低，但是比表面积稍大；凝固液温度的提高，不利于浆粕平均长度的提高，但是有利于得到内部结构疏松的浆粕纤维，从而易于进一步原纤化得到较大的比表面积；直接通过抽滤洗涤、干燥的浆粕相互之间会发生粘结，导致氮吸附法测得比表面积偏小，快速挥发法有利于测得浆粕真实的比表面积。
　　然后，用8%的PPTA/MSA溶液进行湿法纺丝制备PPTA初生纤维。通过力学性能测试仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、声速取向测试仪测试比较了凝固浴浓度、喷丝头拉伸倍数、树脂分子量对PPTA初生纤维力学性能、表面形貌、取向度、结晶性能的影响。结果表明：凝固浴浓度的提高有利于PPTA初生纤维的取向和结晶，凝固浴浓度为40%时，所得初生纤维的表面形貌和性能最好；凝固浴浓度为30%时，PPTA初生纤维的最大湿拉伸倍数为6.6倍（喷丝头拉伸6倍，热水浴拉伸1倍），拉伸倍数越大，初生纤维的纤度越低，强度和模量越高，纤维的取向度和结晶度也越高。
　　最后，在350℃下，对初生PPTA纤维进行热拉伸处理。通过力学性能测试仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、声速取向测试仪、耐磨损强度测试仪探究了热拉伸倍数对PPTA纤维表面形貌、机械性能、取向度、结晶性能和耐磨损强度的影响。结果表明：随着热拉伸倍数的增大，纤维的取向度和结晶度先增大后降低。当热拉伸倍数为2倍时，所得PPTA纤维的综合性能较好。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 PPTA纤维及浆粕的应用

1.3 PPTA纤维制备工艺的研究进展

1.4 甲磺酸在高性能纤维中的应用

1.5 课题研究内容

第二章 PPTA在MSA中的溶解及其溶液性质研究

2.1 引言

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 沉析法制备PPTA浆粕

3.1引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 湿法纺丝制备PPTA纤维

4.1引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间的学术成果

致谢